start here

Σύνθεση ουρίας: Ένα τυχαίο πείραμα που γεφύρωσε την Οργανική με την Ανόργανη Χημεία

Ο άνθρακας είναι το θεμέλιο όλων των βιολογικών μορίων. Είναι το στοιχείο της ζωής! Μάλιστα, υπήρχε μια εποχή που νομίζαμε ότι οι ενώσεις άνθρακα μπορούσαν να παράγονται μόνο από ζωντανούς οργανισμούς. Γι’ αυτό το λόγο οι χημικοί εκείνης της εποχής τις ονόμασαν οργανικές ενώσεις, και συνεχίζουμε να τις αποκαλούμε έτσι μέχρι και σήμερα.

18ος αιώνας: Βιταλισμός - Μυστηριώδης προέλευση των ενώσεων που προέρχονται από ζωντανούς (οργανικούς) οργανισμούς

Στα τέλη του 18ου αιώνα, όταν η χημεία άρχισε να εξελίσσεται από αλχημιστική τέχνη σε σύγχρονη επιστήμη, υπήρχε μια γενική συμφωνία ότι τα χημικά πειράματα μπορούσαν να αποκαλύψουν τους νόμους που διέπουν τη χημεία των άψυχων, ανόργανων ενώσεων.

Ωστόσο, οι χημικοί εκείνης της εποχής θεωρούσαν ότι τα βιολογικά μόρια ήταν σχεδόν μυστικιστικής προέλευσης.

Οι ενώσεις που μπορούσαν να απομονωθούν από ζωντανούς οργανισμούς, φαινόταν να έχουν εντελώς διαφορετική σύνθεση και ιδιότητες από τις ανόργανες. Αυτή η μεγάλη διαφορά στη χημική συμπεριφορά μεταξύ των ενώσεων θεωρούνταν ότι σχετίζεται στενά με την προέλευσή τους. Οι ανόργανες ουσίες μπορούσαν να εξαχθούν από τα ορυκτά ή τα νερά της Γης, ενώ οι οργανικές ουσίες βρίσκονταν μόνο στους ιστούς ζωντανών οργανισμών.

Αυτές οι ανεξήγητες διαφορές, οδήγησαν πολλούς φυσιολόγους της εποχής να πιστεύουν ότι η μοναδική εξήγηση ήταν ότι οι οργανικές ενώσεις μπορούσαν να παραχθούν μόνο από οργανισμούς υπό την καθοδήγηση μιας δύναμης που υπάρχει αποκλειστικά στα έμβια όντα. Αυτή η δύναμη αναφερόταν ως ζωτική δύναμη (vital force > Vitalism = Βιταλισμός).

Η ζωτική δύναμη θεωρούνταν μια έμφυτη ιδιότητα όλων των οργανικών ουσιών που ήταν αδύνατο να μετρηθεί ή να εξαχθεί με χημικές διαδικασίες. Ο βιταλισμός υποστήριζε ότι καμία ουσία που παράγεται από ζωντανούς οργανισμούς δεν μπορούσε να συντεθεί συνδυάζοντας άψυχα χημικά σε ένα άψυχο δοχείο στο εργαστήριο. Έτσι, υπήρχε μια γενική αντίληψη ότι ήταν αδύνατο να παραχθούν οργανικές ουσίες εξ ολοκλήρου από ανόργανες. Η απόπειρα μιας τέτοιας εργαστηριακής παρασκευής θεωρούνταν μάταιη λόγω της απουσίας «ζωτικής δύναμης», ενός παράγοντα ενεργοποίησης που υπάρχει σε όλα τα έμβια όντα αλλά απουσιάζει από άψυχα αντικείμενα.

Αυτό το δόγμα μιας «ζωτικής δύναμης» κυριαρχούσε από την επιστήμη μέχρι και την τέχνη. Απαιτούνταν μια «ζωτική δύναμη» (σε αυτήν την περίπτωση «γαλβανική»), για να ζωντανέψει το τέρας του Frankenstein, στο μυθιστόρημα επιστημονικής φαντασίας της Mary Shelley (1797-1851) που γράφτηκε το 1816.

Το 1770, ο Σουηδός χημικός Torbern Bergman διαχώρισε τους όρους «οργανικές» και «ανόργανες» χημικές ουσίες, όπου οργανικές ήταν οι ενώσεις που προέρχονταν από ζωντανούς οργανισμούς.


19ος αιώνας

1816: 1ο πλήγμα στον Βιταλισμό - Michel Chevreul - Μια οργανική ένωση μπορεί να μετατραπεί σε άλλες οργανικές ενώσεις χωρίς τη μεσολάβηση μιας εξωτερικής ζωτικής δύναμης

Το 1816, ο βιταλισμός δέχτηκε το πρώτο πλήγμα όταν ο Michel Chevreul ανακάλυψε πως μια οργανική ένωση (λίπος) μπορεί να μετατραπεί σε άλλες (λιπαρά οξέα και γλυκερίνη) χωρίς τη μεσολάβηση μιας εξωτερικής ζωτικής δύναμης.

Οι χημικοί πίστευαν ότι το σαπούνι ήταν το προϊόν του λίπους όταν αντιδρά με αλκάλια. Ωστόσο, ο Chevreul απέδειξε ότι ένα αλκάλιο διασπά το λίπος σε σαπούνι, το οποίο ήταν το άλας ενός οργανικού οξέος και μια αλκοόλη, την οποία ονόμασε γλυκερίνη, και ότι το σαπούνι μπορεί να διαχωριστεί σε αρκετές καθαρές οργανικές ενώσεις, τις οποίες ονόμασε «λιπαρά οξέα». 

soap decomposition

1828: Τέλος Βιταλισμού - Friedrich Wöhler-Τυχαίο πείραμα - Ουρία - Οι οργανικές ενώσεις μπορούν να παρασκευαστούν από ανόργανες

Το εννοιολογικό χάσμα μεταξύ των διαδικασιών in vivo και της ανάλυσης in vitro, μεταξύ της ζωής και του δοκιμαστικού σωλήνα, γεφυρώθηκε το 1828 όταν ο Γερμανός Friedrich Wöhler κατάφερε από κυανικό αμμωνίο NH4OCN, μια ανόργανη ένωση, να συνθέσει την «οργανική» ένωση ουρία, ένα συστατικό των ούρων, χωρίς να χρειάζεται νεφρό και κάποιο ζώο.

Η πρώτη σημαντική σύνθεση μιας οργανικής ένωσης από ανόργανα υλικά ήταν στην πραγματικότητα μια τυχαία ανακάλυψη του Friedrich Wöhler, ο οποίος αν και είχε σπουδάσει ιατρική γοητεύτηκε στην πορεία από τη χημεία. Ο Wohler δεν προσπαθούσε να καταρρίψει τη θεωρία του βιταλισμού, απλά προσπαθούσε να συνθέσει την ανόργανη ουσία κυανικό αμμώνιο NH4OCN στο εργαστήριο του.

Κάνοντας πειράματα, παρατήρησε ότι όταν συνδύαζε κυανικό οξύ και αμμωνία, προς μεγάλη του έκπληξη, έπαιρνε ένα λευκό κρυσταλλικό στερεό προϊόν που δεν είχε τις ιδιότητες του κυανικού αμμωνίου.

Μετά από συγκριτικές αναλύσεις, συνειδητοποίησε ότι αυτή η λευκή σκόνη ήταν ταυτόσημη της ουρίας (CO(NH2)2). Στο άρθρο που δημοσίευσε το 1828 στον τόμο 12 του Poggendorf's Annalen der Physik und Chemie που ονομάζεται «Über künstliche Bildung des Harnstoffs» ή «Σχετικά με τον τεχνητό σχηματισμό ουρίας» ο Wöhler περιγράφει μερικές ιδιότητες του άγνωστου προϊόντος και σημειώνει:

«Αυτή η ομοιότητα (του προϊόντος που ελήφθη) με την ουρία με ώθησε να κάνω συγκριτικά πειράματα με καθαρή ουρία που απομονώθηκε από ούρα, τα οποία απέδειξαν αναμφίβολα ότι η ουρία των ούρων και η προηγούμενη κρυσταλλική ουσία ή κυανικό αμμώνιο, αν μπορεί να ονομαστεί έτσι, είναι εντελώς πανομοιότυπες ενώσεις.»

Συζητώντας τα ευρήματά του, ο Wöhler σημειώνει:

«Εάν, ωστόσο, συνδυάζοντας κυανικό οξύ και αμμωνία παράγεται μόνο ουρία, η ουρία πρέπει να έχει την ίδια σύνθεση (στοιχείων) με αυτήν που λαμβάνεται κατά τον υπολογισμό της από τον τύπο των αλάτων κυανικού οξέος. πράγμα που συμβαίνει... »

Ο Wöhler συμπέρανε ότι η θερμότητα μετέτρεψε το προκύπτον (ασταθές) ενδιάμεσο κυανικό αμμώνιο σε ουρία.

Έρευνες από το 1828 έχουν μελετήσει το λεπτομερές μονοπάτι μετασχηματισμού του κυανικού αμμωνίου σε ουρία, της αντίδρασης Wöhler. Ένας πιθανός μοριακός μηχανισμός αυτής της συγκυριακής σύνθεσης της ουρίας είναι η αντίδραση να προχωράει σε δύο στάδια: Το πρώτο βήμα περιλαμβάνει τη διάσπαση του κυανικού αμμωνίου σε αμμωνία και ισοκυανικό ή κυανικό οξύ, και το δεύτερο, το οποίο είναι το κύριο στάδιο αντίδρασης (και πιθανώς το βήμα καθορισμού ρυθμού), περιλαμβάνει μια πυρηνόφιλη επίθεση της αμμωνίας είτε στο ισοκυανικό οξύ (το πιο σταθερό ταυτομερές), αποδίδοντας ουρία είτε στο κυανικό οξύ ακολουθούμενο από ταυτομερισμό.

isomerism cyanic ammonium urea

Από αυτό το τυχαίο αποτέλεσμα, ο Wöhler κατέληξε σωστά στο συμπέρασμα ότι τα άτομα μπορούν να διαταχθούν σε μόρια με διάφορους τρόπους, και ότι οι ιδιότητες των προκυπτόντων μορίων εξαρτώνται από τη μοριακή αρχιτεκτονική τους. Η ανόργανη ένωση κυανικό αμμώνιο είναι πλέον γνωστό ότι είναι ένα ισομερές της ουρίας. Και τα δύο περιέχουν τον ίδιο τύπο και αριθμό ατόμων, αλλά έχουν διαφορετική δομική οργάνωση.

Ο ισομερισμός ήταν μια νέα ιδέα εκείνη την εποχή, καθώς υπήρχε η αντίληψη ότι κάθε ένωση έχει έναν μοναδικό τύπο. Λίγα χρόνια νωρίτερα, το 1824, ο Wöhler και ο Justus von Liebig είχαν αποδείξει ότι ο εμπειρικός τύπος του κυανικού αργύρου και του βροντώδη αργύρου ήταν ταυτόσημοι (AgNCO). (Το φαινόμενο του ισομερισμού περιγράφηκε για πρώτη φορά το 1831 από τον Berzelius).

Στην εισαγωγή του άρθρου του, ο Wöhler σημειώνει ότι

«...Αυτή η έρευνα έδωσε το απροσδόκητο αποτέλεσμα ότι από την ανάμιξη κυανικού οξέος και αμμωνίας συντίθεται ουρία, είναι ιδιαίτερα περίεργο το γεγονός ότι αντιπροσωπεύει τον τεχνητό (in vitro) σχηματισμό μιας οργανικής ένωσης, το λεγόμενο «animalischem Stoff» από ανόργανες ενώσεις».

Το πείραμα του Wöhler είναι γενικά αναγνωρισμένο ως το πρώτο που γεφύρωσε το τεχνητό χάσμα μεταξύ οργανικής και ανόργανης χημείας και οδήγησε στην γέννηση της Οργανικής Χημείας όπως τη γνωρίζουμε σήμερα που έχει ως αντικείμενο μελέτης της τις ενώσεις του άνθρακα.

Από τότε, ο μοναδικός χαρακτήρας των οργανικών ενώσεων αναγνωρίστηκε ως συνέπεια μιας περίπλοκης μοριακής αρχιτεκτονικής παρά μιας ζωτικής δύναμης. Τα βιολογικά μόρια ήταν απλά χημικές ενώσεις που μπορούσαν να παρασκευαστούν και να χρησιμοποιηθούν στο εργαστήριο.

Ενθαρρυμένοι από την ανακάλυψη του Wöhler, και άλλοι κατάφεραν να συνθέσουν απλές οργανικές ενώσεις από ανόργανες, και από περίπου το 1860 ήταν πλέον γενικά αναγνωρισμένο ότι δεν ήταν απαραίτητη μια ζωτική δύναμη για τη σύνθεση και τη μετατροπή οργανικών ενώσεων.

Σήμερα, η Χημεία είναι ενοποιημένη. Η διάκριση μεταξύ οργανικής και ανόργανης χημείας, η οποία άρχισε για ιστορικούς λόγους, διατηρήθηκε απλώς για εκπαιδευτικούς λόγους.

 

Σε μια επιστολή προς το φίλο του Berzelius, στις 22 Φεβρουαρίου 1828, ο Wöhler αναφέρει πως κατέληξε στο συμπέρασμα ότι παρασκεύασε «τεχνητή» ουρία στο εργαστήριο του:

I can no longer, as it were, hold back my chemical urine; and I have to let out that I can make urea without needing a kidney, whether of man or dog: the ammonium salt of cyanic acid is urea.

Perhaps you can remember the experiments that I performed in those happy days when I was still working with you, when I found that whenever one tried to combine cyanic acid with ammonia a white crystalline solid appeared that behaved like neither cyanic acid nor ammonia....I took this up again as a subject that would fit into a short time interval, a small undertaking that would quickly be completed and – thank God – would not require a single weighing.

The supposed ammonium cyanate was easily obtained by reacting lead cyanate with ammonia solution....Four-sided right-angled prisms, beautifully crystalline, were obtained. When these were treated with acids, no cyanic acid was liberated, and with alkali, no trace of ammonia. But with nitric acid lustrous flakes of an easily crystallized compound, strongly acid in character, were formed; I was disposed to accept this as a new acid because when it was heated, neither nitric nor nitrous acid was evolved, but a great deal of ammonia. Then I found that if it were saturated with alkali, the so-called ammonium cyanate reappeared; and this could be extracted with alcohol. Now, quite suddenly I had it! All that was needed was to compare urea from urine with this urea from a cyanate.

Η επιστολή συνεχίζει περιγράφοντας πώς αυτή η ανακάλυψη προστίθεται στα ζεύγη ουσιών παρόμοιας σύνθεσης αλλά διαφορετικών ιδιοτήτων.

*Να σημειωθεί ότι, η χημική σύνθεση του Wöhler δεν αντιπροσωπεύει την αντίδραση που πραγματοποιείται στο ήπαρ των θηλαστικών για τη σύνθεση ουρίας. Ο μηχανισμός αυτής της διαδικασίας διευκρινίστηκε από τον Γερμανό ιατρό Hans A. Krebs και τον φοιτητή του Kurt Henseleit το 1932. Αυτός ο «κύκλος ουρίας» παρατηρείται μόνο σε ζωντανά κύτταρα μέσα από μια σειρά ενζυμικών αντιδράσεων στα μιτοχόνδρια και το κυτοσόλιο, αντίστοιχα.

Χρησιμοποιούμε cookies που μας επιτρέπουν μια σειρά από λειτουργίες που ενισχύουν την εμπειρία σας στην ιστοσελίδα μας.
Κάνοντας κλικ στο "Συμφωνώ" ή συνεχίζοντας να χρησιμοποιείτε την ιστοσελίδα bioximikos.gr συμφωνείτε με τη χρήση cookies.